CFB鍋爐改造工程中DCS系統設計與分析

張曉彬

（樺林佳通輪胎有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

CFB鍋爐改造工程中DCS系統設計與分析

張曉彬

（樺林佳通輪胎有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

新修訂的《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271—2014）已于2014年7月1日開始實施，本標準適用于以燃煤、燃油和燃氣為燃料的單臺出力65 t/h及以下的蒸汽鍋爐。本文立足輪胎制造企業中生產蒸汽的燃煤循環流化床鍋爐，為滿足新標準的環保要求及嚴重落后、陳舊設備更新的需要，實施的75 t/h電站鍋爐更新改造為60 t/h工業鍋爐的工程項目。簡要分析了循環流化床鍋爐及DCS集散控制系統的發展及特點，著重描述了：原DCS控制系統的軟硬件結構形式，鍋爐DCS系統輸入輸出I/O點重新分配設計，螺旋式給煤機改為皮帶稱重式給煤機的控制設計，汽包水位的三沖量控制和改造等。通過對原有DCS控制系統部分重新設計和改造，很好的實現了原有DCS控制系統與新爐體設備的結合。

DCS控制系統；循環流化床鍋爐；設計；改造

1　循環流化床鍋爐及DCS控制系統的發展與特點

循環流化床鍋爐（circulating fluidized bed boiler, CFB）燃燒技術具有燃料適應性廣、燃燒效率高、負荷調節范圍大、可實現在燃燒過程中直接脫硫和NOX排放低等優勢，已成為當前煤炭清潔燃燒的首選爐型，在電站鍋爐、工業鍋爐和廢棄物處理利用等領域得到廣泛應用。

DCS控制系統是以微處理器為基礎的對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的集散控制系統，它的主要特點就是集中管理和分散控制。集散控制系統主要由分散過程控制裝置、操作管理裝置、通信系統三部分組成。DCS控制系統是1975年首先由美國霍尼韋爾公司推出的，隨著半導體技術、顯示技術、控制技術、網絡技術和軟件技術等的發展，集散控制系統使得我國自動化技術更加智能化、網絡化和集成化，目前在我國循環流化床鍋爐控制方面應用已很廣泛、成熟。

2　DCS系統在循環硫化床鍋爐控制上的設計

目前國內外都有很多DCS廠商，國內主要有浙大中控、北京和利時、上海新華，國外有Honeywell、橫河、Siemens等。本文所述原有DCS系統采用不同廠家的優秀產品，通過工業以太網連接，構建一個完整DCS系統，以美國Honeywell公司的中小型混合控制器HC900-C70R為下位機、美國Wonderware公司的過程可視化組態軟件InTouch 10.0編寫上位人機界面，控制廠內動力系統，即三臺75 t/h循環硫化床鍋爐。冗余型HC900-C70R 控制器采用冗余的CPU、電源模塊和網絡設計。冗余CPU分一主一從，兩個CPU都可以做主CPU，工作時主CPU運行、從CPU熱備，異常狀況可實現無擾切換。冗余的電源和網絡設計，CPU獨立機架和I/O機架都采用雙電源模塊和雙以太網接口同時工作。基于機架的HC900系列控制器有三種機架尺寸可供選擇：4、8或12個I/O槽，能滿足客戶的不同需求。C70R CPU控制器機架可以使用100base-T 連接，支持單個遠程機架直連，也可使用外部集線器，最多支持5個遠程I/O機架，見表1。

表1　HC900-C70R冗余型 CPU支持能力

本文在原有DCS系統所用的冗余HC900-C70R網絡的基礎上采用CPU控制器獨立機架并通過以太網連接4個遠程I/O 、12槽機架的網絡設計，實現在循環硫化床鍋爐控制上的設計，具體結構如圖1所示。

圖1　C70R冗余網絡結構圖

整個DCS控制系統電源采用兩路獨立的380V市電同時供電，通過電源自投裝置可實現無擾切換，而且還配備大容量工業不間斷電源UPS，以實現市電全部斷電情況UPS蓄電池反送電保證一定時間的應急操作能力。對于關鍵控制回路，如鍋爐主給水、主給水旁路和減溫水的電動調節閥控制，在調節閥和DCS控制系統之間串接智能手操器，可實現正常運行情況DCS系統控制調節，DCS控制系統異常情況下，手操器切換為手動狀態控制關鍵控制回路閥門應急操作。總之，冗余的HC900-C70R網絡結構能很好的保證鍋爐作為關鍵設備的穩定運行要求。

下位機HC900-C70R控制器的組態采用采用了其配套的Hybrid Control Designer控制設計組態軟件。它是基于過程數據采集、混合模擬量和開關量過程控制和批量處理、時序控

制等應用要求并采用功能模塊化的組態工具軟件，且具有診斷至通道級的自診斷和監視功能，組態軟件形式如下圖2。

上位機人機監控界面組態采用wonderware公司的過程可視化組態軟件InTouch 10.0編寫，改造修改后的組態畫面如圖3所示。

圖2　HC Designer 控制設計組態軟件

圖3　CFB鍋爐的組態畫面圖

3　CFB鍋爐更新改造工程中DCS系統設計與分析

3.1DCS控制系統l/O點再設計

改造后的新CFB鍋爐設備要想與原有的DCS控制系統結合，就需要對原有的DCS 控制系統進行改造。而重新設計和修改，首要的是了解DCS系統I/O點詳細信息，此過程可通過繪制I/O點信息相關表單完成。

原DCS系統硬件使用如下5種I/O模塊：

（1）900A01模塊：8點的通用模擬量輸入AI模塊，在同一模塊上可混合輸入各種類型的輸入信號，包括熱電偶TC、熱電阻RTD、歐姆、電壓或毫伏；

（2）900A16模塊：16點高電平模擬輸入AI模塊；

（3）900B01模塊：4點模擬量輸出AO模塊；

（4）900G32（VDC）模塊：32點數字量輸入DI模塊（VDC）；

（5）900H32（VDC）模塊：32點數字量輸出DO模塊（VDC）。

據此可統計繪制I/O數量詳單，表單做成如下形式，

表2　I/O數量單

再根據I/O數量詳單的點數差異和C70R控制器的擴展能力，進而確定I/O模塊如何擴展。在這過程中還應協同做出新老鍋爐I/O點信息詳單做對比，分析如熱電阻PT100（RTD）、E型和K型熱電偶（TC）、壓力變送器（4～20 ma）等等的測點變化，進而做模塊通道的重新分配設計。但重新設計的原則之一就是控制變更。因為減少變更就是減少改造工作量，舉例說明如熱電偶、熱電阻模擬量通道就應盡量減少變更，首先其模擬量信號僅能接入900A01通用型AI模塊，其次熱電偶的補償導線和熱電阻的三線制電纜有其特殊性，最好是原測點回路保護性恢復使用，最后這種鍋爐一次測溫點如變更，會導致后續鍋爐超溫報警、燃煤自控等更大量邏輯和組態修改。 總之，DCS控制系統改造設計的基礎是I/O點詳細信息，通過I/O點信息相關表單做改造前后對比來統籌硬件及軟件的再設計。

3.2DCS控制系統在給煤機設備控制方面的修改

本鍋爐改造項目中鍋爐給煤機由螺旋式更新為皮帶稱重式。原螺旋式給煤機通過模擬量給定和反饋控制給煤機變頻器頻率來控制鍋爐給煤量，控制邏輯簡單，而皮帶稱重式給煤機性能更好，且為滿足給煤機精益控制的需求，因此需將新式皮帶稱重式給煤機控制重新設計。方案如下：①取皮帶給煤機柜的變頻器頻率模擬給定和瞬時給煤量模擬反饋信號做DCS系統模擬回路控制，并做遠程啟停及運行狀態反饋的DCS系統開關量回路控制。當然仍保證現場控制柜的就地操作功能。②邏輯、人機畫面組態，顯示瞬時給煤量，并制作邏輯程序顯示累計給煤量（可為給煤計量及節煤運行等提供依據）。③組態報警邏輯、報警設置畫面和報警提示畫面，實現低于設定瞬時給煤量時彈窗提示報警，并聯動聲光報警器，提醒運行人員提早關注低給煤量狀況，并預防和第一時間處理堵煤，鍋爐斷煤的危險情況。從而做到給煤機精益控制。

3.3鍋爐汽包水位控制分析

汽包水位不僅受汽包中儲水量影響，還受水位下氣泡容積影響。實踐證明影響最直接指標一個是給水流量，另一個是蒸汽流量。給水流量增大時，汽包水位會隨之增加而上升，隨之減少而下降。 蒸汽流量對鍋爐水位的影響源于鍋爐負荷的變化，當用蒸汽多時，水位下降就多；用蒸汽少時，水位下降就少或者上升。但是蒸汽流量的變化所帶來的擾動具有所謂“虛假水位的現象”。蒸汽流量增大時，蒸汽流量大于給水量，從鍋爐的物料平衡關系來看，水位應該下降，但實際情況卻并非如此。由于蒸汽用量增加導致汽包內壓力驟降，水的沸點降低繼而沸騰加劇，水中汽泡的體積迅速擴大，結果水位反而是先上升，然后才會下降；反之，蒸汽流量減少時，水位會先下降后上升。

三沖量水位控制系統，通過蒸汽流量、給水流量、汽包水位三沖量，調節鍋爐給水調節閥位置來控制汽包水位，可以補償“虛假水位”的誤操作，又能對回路進行靜態補償。以下是一種了解到的三沖量控制思路：經觀察發現，當鍋爐穩定燃燒時，汽包水位處于穩定的狀況之下，蒸汽流量和給水流量之間有固定的差值。固定差值即可作為控制的目標，即將汽包水位的控制轉化為蒸汽流量和給水流量之間差值的控制，不同的水位則對應著不同的差值。此控制方案中采用一個函數發生器來判斷當前水位下給水流量和蒸汽流量間應該有的差值，函數發生器的輸出作為給定量送入PID回路參與調節。函數發生器直觀的體現了被控變量的要求，也易于工況改變時的修改。汽包水位控制方案如圖4所示。

圖4　汽包水位控制框圖

3.4DCS系統的重新組態過程中遇到的問題

鍋爐監測用的壓力變送器和流量差壓變送器等采用兩線制、回路中串接DC24 V供電的方式與DCS系統的AI通道連接組態。而在改造中會遇到因模塊模擬輸入通道重新分配，設備模擬反饋信號（如變頻器的頻率反饋）在引入DCS系統模塊組態時，被引入到原串接DC24 V配電的AI通道，從而出現錯誤組態失敗情況。此時，就要考慮是否重新設計將這類信號引入不帶24 V串接通道，或繼續利用這個通道但在模塊端摘除24 V跨接使用的方法解決。

4　總結

在DCS控制系統改造使之與新爐體設備結合過程中，前期需對系統硬件、軟件做到充分的掌握，在這個過程中可以利用相關設備臺賬、組態軟件中的I/ O數據庫以及現場考察等方式統計繪制出I/O點信息詳單，以此為基礎統籌設計硬件的擴展和設備的控制。當然，對新鍋爐的一次測點、輔機設備、工藝原理等等信息也應很好掌握，這樣才能做好差異分析，統籌硬件設計和軟件控制邏輯和人機畫面的修改。本文闡述的鍋爐改造項目中就涉及到很多參數和報警連鎖等的重新組態，感覺下位機邏輯組態軟件HC Designer的模塊式邏輯設計，和上位機人機畫面組態軟件InTouch的“標記名字典”的變量修改、地址分配等功能，比較優異，操作簡便。這種采用不同廠家優秀產品搭接完整DCS系統的方式值得借鑒。

(R-03)

一種臭氧氧化工藝制備氧化聚丙烯的裝置及方法

華南理工大學開發出一種臭氧氧化工藝制備氧化聚丙烯的裝置及方法。該裝置包括擠出機、臭氧發生器和臭氧尾氣處理器；擠出機的料筒上依次設置喂料口、臭氧通氣口、尾氣排出口和出料口，臭氧通氣口與臭氧發生器連接，尾氣排出口與臭氧尾氣處理器連接。將聚丙烯加入到擠出機中，在170～250℃溫度范圍進行擠出，同時臭氧發生器產生的臭氧以濃度1～10 mg/L、流率1～5 L/min從通入擠出機中與聚丙烯樹脂進行反應，未反應的臭氧排出至臭氧尾氣處理器中處理，擠出反應后完成后的產物經擠出造粒，得到氧化聚丙烯。該裝置及方法簡單，氧化效果好，具有良好的應用前景。

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大唐國際化工技術研究院有限公司開發出一種具有高溫活性抑制作用的聚丙烯催化劑組合物，其包含主催化劑、助催化劑和外給電子體組分。所述主催化劑包含含鈦化合物，助催化劑為烷基鋁，外給電子體組分由第一類外給電子體和第二類外給電子體組成，第一類外給電子體包含環己甲酸仲辛醇酯，第二類外給電子體為烷氧基硅烷化合物。該催化劑組合物能夠有效控制在聚合釜內高溫反應放熱過程，確保反應平穩進行。

燕豐 供稿

DCS system design and analysis in CFB boiler renovation project

TK222

1009-797X(2016)14-0045-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.015

張曉彬（1985-），男，本科，電儀技術工程師，電子信息科學技術專業。

2016-02-12